Қўлланма педагогика институтларининг юқори курс студент- лари ва ўрта мактаб физика ўқитувчилари учун фойдалидир

Металл боғланишли кристаллар. Д. И. Менделеев- нинг элементлар даврий системасидаги ҳар бир даврнинг бошида турган элементларнинг кристаллари, юқорлда кўрилган боғланиш кучларидан бутунлай бошҳача боғ- ланиш кучи таъсирида бўлади. Масалэн, мис ( ) бир валентли металлдир. Агар атомли боғланиш бўлганда ҳар бир атом фаҳат яна битта атом билангина боғланиши мумкин эди, лекин кристаллда мис атоми ўзига яҳин бўлган 12 та атом билан боғланиш кучи таъсирида бўлади. Шунинг учун металлардаги атомлар алоҳида боғланиш кучига — металл боғланиш кучига эга.
Металл атомларининг ташқи валентли электронлари ядро билан жуда бўш боғланган. Атомлар ўзаро яқинлашиб кристалл ҳосил қилганда валентли электронлар
ўз атомини ташлаб кристалл бўйлаб ҳаракат ҳилиб қетади. Натижада бутун кристалл бўйлаб валентли электронлар тенг тақсимланган бўлади. Валентли электронларнинг кристалл бўйлаб тақсимланиши уларнинг умумлашишига олиб келади, яъни ҳар бир валентли электрон фақат ўзининг атомигагина тегишли бўлиб қолмасдан, бошқа атомларга. ҳам тегишли бўлиб . умумлашнб қолади.
Металлардаги валентли электронлар гази мусбат ионлар орасида ҳаракат қилгани учун уларни тортади. Ионлар эеа бир хил ишорали бўлганлиги учун бир-бирларини итаради. Электронларнинг ионларни тортиш кучи билан мусбат ионларнинг ўзаро итаришиши кучи мувозанатлашганда турғун вазият вужудга келиб, кристалл панжара ҳосил бўлади. Шунинг учўн металлар юқори симметрик кристалл структурасига эга. Металлар, асосан, ҳажми марказлашган кубик (ишқорли металлар, титдн ва бошқалар), ёқлари марказлашган кубик (алюминий, мис, кумуш, олтин ва бошқалар) ва зич гексагонал (бериллий, магний, кадмий, рух ва бошқалар) кристалл структурага эга.
Металл боғланиш ковалент (гомеополяр) богланишга ўхшаб кетади. Буларнинг фарқи шундан иборатки, ковалент боғланишда ҳар бир валентли электрон фақат иккита атом учун умумлашиб қолади, металл боғланишда эса ҳар бир валентли электрон деярли ҳамма атомлар учун умумлашиб қолади, Шу сабабли металлар пластик хусусиятга эгадир. Бундан ташқари металлар юқори эриш температурасига, электр ўткаЗувчанликка, катта сублимация иссиқлигига ва юқори механик мустаҳкамликка эга.
5-§. Кристалланиш
Жисмларнинг фаза алмашинуви натижасида кристалл бўлмаган ҳолатда кристалл ҳолатга ўтиш жараёни кристалланиш дейилади.
Термодинамикадан маълумки, биринчи тур фаза алмашинуви вақтида албатта, иссиқлик ютилади ёки ис- сиқлик чиқарилади. Бундай иссиқликни одатда яширин исс иқлик дейилади. Кристалл ҳолатга жисмлар ўта совиган буғ ёки суюқлик ҳолатидан, берилган модданинг бошқа моддадаги эритмасидан ўтиши мумкин.
Бу айтилган ҳолатларда жисмлар кристалл ҳолатга ўтганда маълум миқдорда ўзининг эркин энергиясини иссиҳлик сифатида ташҳарига чиқаради, яъни кристалланиш вақтида иссиқлик ажралиб чиқади.
Бундай процессларни термодинамикада термодинамик функциялар ёрдамида текширилади. Агар эритмадаги бирор молекулани кристалл молекуласига айлантиришдаги бажарилган ишни бошқа ўзгарувчиларни ўзгармас деб қараб, билан белгиласак, бу сарф қилинган энергия миқдори химиявий потенциални кўрсатади, бунда Ғ—эркин энергия.
Химиявий потенциал температурага ва босимга боғлиқ бўлади. Иккита система (эритма ва кристалл) мувозанатда бўлиши учун уларнинг химиявий потенциаллари тенг бўлиши керак, акс ҳолда бирининг миқдори кўпайиб, иккинчисиники камая боради. Эритманинг химиявий потенциалини кристаллнинг химиявий потенциалини билан белгиласак, мувозанат вақтида бўлади. Агар бўлса, кристалланиш юз бериб да эриш процесси куза-
тилади.
Ярим ўтказгичли материаллар сифатида сунъий йўл билан олинадиган монокристаллар ишлатилади. Ярим ўтказгич монокристалл олишда қуйидаги талаблар қўйилади: а) ундаги аралашмаларнинг миқдори жуда кам бўлиши, б) у қаътий монокристалл ҳолида бўлиши керак. Бундай талабларнинг қўйилишига сабаб, ярим ўтказгичлардаги аралашмалар уларнинг электр хусусиятларига жуда кучли таъсир кўрсатади. Кремний элементининг миллион атомига бирдона аралашма атоми тўғри келса, унинг электр ўтказувчанлиги 10⁵ марта ортиб кетиши мумкин.
Юқорида қўйилган талабларга жавоб бера оладиган ярим ўтказгич—монокристалларни олишда Чохральский усулидан фойдаланилади. Берилган материал кварц ёки графит тигелда эритилади. Эритма температураси орттирилса, баъзи аралашмалар ва газлар чиқиб кетади. Сўнгра эритманинг температурасини эриш температурасцдан сал юқорироқ бўлган қийматга туширилади ва унга ёрдамчи механизмга маҳкамланган бошланғич кристалл туширилади. Бошланғич кристалл билан эритма орасида маълум даражада боғланиш ҳосил бўлган-
дан кейин ёрдамчи механизм аста-секин юқорига кўтарилади. Бунда эритма ҳам у билан қўшилиб кўтарила боради. Юқорига кўтарила борган сари температура эриш температурасидан паст бўлганлиги сабабли эритма кристаллана боради. Натижада монокристалл ҳосил бўлади.
Ярим ўтказгич монокристалларни фақатгйна химиявий йўл билан ортиқча аралашмалардан холи этиб бўлмайди. Тоза ярим ўтказгич монокристаллар олиш учун металлургияда зоналаб қайта-қайта кристаллаш (зоналаб эритиш) усулидан фойдаланилади (6- расм).

6- расм. Кристалларпи зоналаэ қайта тозалаш:
1) кварц найча; 2) графит қайиқча; 3) тозаланадиган кристалл; 4) вакуум- насосга туташтириладиган найча.

Тозаланиладиган кристалл графит қайиқчага солиниб вакуумга жойлаштирилади. Сўнгра юқори частотали ток ёрдамида озгина қисми (зона) эритилади. Агар графит қайиқчани ёки юқори частотали ток ўтаётган нихродан қилинган симни секин жилдира борсак, кристаллнинг эриган қисми ҳам бир учидан иккинчи учига қараб силжиб боради. Жуда кўп аралашмаларнинг эрувчанлиги суюқ фазада қаттиқ фазадагига қараганда кўпроқ бўлади. Шунинг учун аралашмалар кристаллнинг эриган қисми билан бирга унинг бир учидан иккинчи учига ўтиб қолади. Шундайқилиб, кристаллнинг илгари эриган қисми кейинги қисмидан анча тоза бўлиб қолади.

6- §. Полиморфизм ҳодисаси
Қаттиқ жисмларнинг кўпчилиги ягона кристалл струк- турагагина эга бўлмасдан, ҳар хил температура ва босимда турғун бўла оладиган икки ва ундан кўп кристалл структурага эга бўлади.Табиатда қаттиқ жисмларда учрайдиган бундай ҳодисани полиморфизм деб юри-
тилади. Қаттиқ жисмлар бундай ҳодиса натижасида бир модификация ҳолатидан иккинчи модификация ҳолатига ўтганда иссиқлик ютиши ёки иссиқлик чиқариши мумкин. Шунинг учун, бундай фаза алмашинуви 1-тур фаза алмашинуви бўлиб ҳисобланадп.
Полиморф м одификация, одатда грек ҳарфлари билан белгиланади. Қаттиқ жисмларнинг паст температуралардаги модификациясини а ҳарфи билан белгиланади. Ундан юцорироқ температурадаги модификациясини яна юқори температурадаги модификацияларини эса ва ҳ. к. ҳарфлар билан белгиланади. Полиморфизмга мисол қилиб цалайни олсак бўлади. Қалай 13,3°С дан паст температураларда а модификацияга эга, шунинг учун деб юртилади, 13,3°С дан юқори температурада модификацияга ўтади.
Қаттиқ жисмлар бир модификациядан иккинчи мо- дификацияга ўтганда уларнннг солиштирма ҳажми ҳам ўзгаради. Чунки бунинг натижасида уларнинг кристаллик панжараси ўзгаради. Қалай дан га ўтганда ҳажми деярли ҳисмга ортади. Полиморфизм жуда кўп химиявий элементларда: темир, никель, кобальт, вольфрам, титан, бор, углерод ва бошқаларда учрайди. Назарий.жиҳатдан барча қаттиқ жисмлар ҳам полиморфизмга эга бўлиши керак. Лекин баъзи ҳаттиҳ жисмларда эриш ва сублимация процессн иолиморфизм ҳодисасини чегаралаб ҳўяди. Қаттиқ жисмлардаги полиморфизм ҳодисаси боғланиш кучлари характери ва интенсивлигининг температурага қараб ўзгариши билан боғлиқдир. Температура камайиши билан қаттиқ жисм- лардаги боғланиш мустаҳкамлана боради. Абсолют ноль температурада боғланиш берилган атомлар системаси учун энг мустаҳкам бўлади.
Қаттиқ жисмлар температура ва босим камайиши билан бир модификациядан иккинчи модификациясига ўтмасдан, олдинги модификацияда узоқ туриши ҳам мумкин. Бунга олмос мисол бўла олади. Олмос ва Т =2000°С да ҳоснл бўлиб, турғун бўлади. Лекин уни совитилганда ҳам модификацияси ўзгармай қолади. Аслида уй температурасида углероднинг графит модификацияси турғундир.
Полиморфизм ҳодисаси амалий аҳамиятга эга. Бу ҳо- дисада техникада ҳар хил пўлат ва қотишмйлар олишда, уларни қайта ишлашда фойдаланилади.
II б о.б
ЯРИМ ЎТКАЗГИЧЛАРНИНГ КРИСТАЛЛАРИ
ТУЗИЛИШИДАГИ НУҚСОНЛАР
Умуман, табиатда идеал тоза кристалл учрамайди. Унда, албатта идеал ҳолатдан четга чиқишига сабабчи бўлган бошқа элементларнинг атомлари, кристалл панжарасидаги бўш жой, бирор атомнинг ноўрин туриши, борингки, атомларнинг ўз мувозанати атрофида тебраниши ҳамма вақт мавжуддир. Буларнинг ҳаммаси кристалл панжара структурасининг бузилишига олиб келади. Шу сабабли, буларнинг ҳаммасини умумий қилиб кристалл панжаранинг нуқсони деб юритилади. Крис- таллардаги эркин электронлар, ионлар ва ҳаракатчан тешиклар ҳам кристаллнинг идеалликдан четлашишига сабаб бўлади. Чунки электрон ўз майдони билан панжарага таъсир қилиб, уни сезиларли даражада деформацйялаши мумкин.
7-§. Аралашмали ярим ўтказгичларда учрайдиган
нуқсонлар
. Ҳозирги кунда техниканинг ривожланиши кристаллни бошқа элементлЯрнинг атомларидан гача тозалашга имкон беради. Агар ярим ўтказгичда та атом бўлса, шулардан тачаси аралашмани ташкил қилади. Умуман соф кристаллнинг ўзидан фойдаланилмайди, уни қандай мақсадда ишлатилишига қараб туриб аралашма қўшилади. Албатта ихтиёрий элементларнинг атомларини ^эмас, бадки маълум даражада у ёки бу элемент атомлари киритилади. Аралашмалар кристалл панжарада асосий атомларнинг ўрнини эгаллаши ёки атомлар орасига жойлашиб олиши мумкин.
Ҳозирги кунда техникада қўлланилаётган ярим ўтказгичли асбоблар аралашмали ярим ўтказгичлардир. Аралашмаларни танлаш, уларнинг ярим ўтказгичлардаги концентрацияси тайёрланадиган асбоб учун катта роль ўйнайди. Чунки аралашмаларнинг концентрацияси ва турини танлаш йўли билан керакди хусусийтга эга бўлган асбобни тайёрлаш мумкин. Демак,


ярим ўтказгичнинг керакли даражада „ифлос“ бўлиши
ҳам зарур экан.


бўлган 4 та атом билан иккита (ҳар бир атомдан биттадан) умумлашган электрон орҳали боғлан- гандир. Паст температу- раларда электронлар ўз атомлари билан кулон кучи таъсирида кучли боғланган бўлади. Агар кремний элементининг бир дона атоми ўрнини V группа элементларидан бирининг атоми, масалан фосфор атоми эгалласа, унинг бир дона электрони боғланишда иштирок эта олмайди. Чунки фосфор беш валентли бўлиб, кремний атомииинг крис- галлдаги, ўрнини эгаллаб, атрофидаги 4 та атом билан боғланишда бўлиши учун тўртта ташқи электрони етарлидир (7-а расм). Боғланишда ишти- рок этмаган электрони- нинг атомни ташлаб чи қиб кетиши учун 0,044 эв энергия етарлидир.

7- расм. Кремиий элементииинг схематик кўриниши: